致宇航员惨死的“O形密封圈”！ABAQUS橡胶制品仿真分析怎么做

摘要：橡胶密封圈在现代工业密封结构中占有重要地位。密封件结构的设计直接影响到整个密封系统的工作，如果结构设计不合理，则在工作过程中就容易引起失效，即使是一个很不起眼的密封圈原件的损坏失效，也可以造成价值数百万元甚至数亿元的巨大损失，有时还可能造成不可挽回的环境污染和人员伤害等灾难性后果。

比如1971年，苏联联盟11号飞船按程序启动制动火箭，再返入大气层时，返回舱和轨道舱分离。但连接两舱的分离插头分离后，返回舱的压力阀门被震开，密封性能被破坏，舱内压强迅速减小，致使3名宇航员惨死在密封舱中；再如1986年1月28号，美国“挑战者”号在执行代号STS-51-L的第十次太空任务时，因为右侧固态火箭助推器上面的一个仅仅价值数美元的O形密封圈失效，导致一连串的连锁反应，并且在升空后73秒时，爆炸解体坠毁，机上7名宇航员都在该次意外中罹难，直接经济损失多达12亿美元；又如我国火箭也曾因密封泄漏故障造成卫星不能准确入轨。

本文就以O形密封圈为例带你学习橡胶制品仿真分析：

1、模型描述：

如图1所示，简易的管道连接示意图，右图为左图的刨面图。这样我们可以清晰的到蓝色部分为压头，金属材质；灰色部分为密封槽，金属材质；绿色部分为O形密封圈，橡胶材质。

图1 简易的管道连接示意图及其刨面图

2、模型简化

考虑到金属材质相对于橡胶材质要硬度要高很多，一般金属的杨氏模量为GPa级别，而橡胶的等效杨氏模量一般为MPa级别，所以相对于橡胶而言，金属部分可以近似看作刚性部件，另外，针对本次仿真的目的而言，我们不关心金属部分的受力或者形变，综上原因，在有限元建模时可以将金属部分设置为解析刚体。如图2所示

图2、有限元分析模型

ABAQUS软件仿真过程

●Part模块

打开ABAQUS软件，在其Part模块选择Create Part，自动进入草图模块依据图3所示尺寸分别创建橡胶、压头和密封槽三个部件。

图3、模型尺寸示意图

●Property 模块

由于两个金属部件被创建为解析刚体，其不用附加属性。橡胶部分为可变形体，我们赋予它超弹性属性，具体设置如图4所示

图4、橡胶属性设置示意图

●Assembly模块：默认即可。

●Step模块

选择通用分析步，打开几何大变形开关（如图5所示）。

图5、分析步设置

●Interaction模块

接触类型为通用面接触，接触属性为切向摩擦，摩擦系数为0.01，具体设置如图6所示。

图6、相互作用属性设置示意图

●Load模块

密封槽参考点设置全约束，压头参考点仅放开Y向自由度，设置位移加载3.9mm,其余自由度完全约束。设置完成后模型如图7所示

图7、加载设置示意图

●Mesh模块

此部分仅需要针对橡胶绘制网格，设置网格尺寸为0.1，网格类型选择四边形，绘制网格，网格属性为CAXRH,具体参数如图8所示

图8、网格相关参数设置示意图

●Optimization模块

优化模块，直接跳过

●Job模块

到这里你就完成了所有的分析计算的准备工作，这个模块里你需要设置一个新的计算任务，让ABAQUS软件知道你需要它针对你设置的模型进行分析计算，需要注意的是我们可以根据自己计算机的性能参数开启多核心并行计算或者GPU加速计算。具体设置可参考图9所示

图9、多核心并行计算设置示意图

●Visualization模块

待计算完成后可以直接点击任务管理器中的Results直接进入Visualization模块（如图10所示 ），在这里就可以查看密封圈的应力、应变等云图信息，也可以针对ABAQUS软件计算的结果进行简单的二次处理

图10、任务管理器

●下面是一些云图展示

文章来源：仿真知识讲堂